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防水透气阀在汽车动力电池上是如何应用的?

2023-05-30

  动力电池作为电动汽车的核心部件,其安全性和稳定性一直备受关注。开发高安全性、长寿命、高性能的动力电池是电动汽车领域的重点和难点。 防水排气阀广泛应用于汽车动力电池领域,作为保持内部环境清洁和维持内外气压平衡的部件。 在设计车辆动力电池箱时,防水排气阀已经成为标准配置,以防止车辆在使用中受到雨水、灰尘、油污和高低温的影响,为电池系统的稳定可靠运行提供保障。

  1 防水透气阀工作原理

  防水透气阀是通过注塑、焊接、粘结、热熔等工艺手段将透气膜材与阀体结合在一起形成的一种可装配、可拆卸的防护组件,一般在动力电池箱箱体侧壁或箱盖上开设安装孔,用螺栓将防水透气阀(图1中虚框部分)安装在电池箱的侧壁或箱盖上,如图1所示。电池箱体内外气体在压差的作用下,通过阀体气体通道,穿过透气膜材,进行气体补偿,保持电池箱内外气体压力平衡。

  透气膜材是防水透气阀的核心组成部分,汽车动力电池用防水透气阀的透气膜材多选用膨体聚四氟乙烯(E-PTFE),其具备良好的耐候性、耐化学性、结构稳定性、疏油性等,广泛应用于防水透气领域 。E-PTFE膜材具有密致的微孔结构,孔径在0.1~10μm之间,空气分子直径仅有0.000 4μm,可自由通过膜材;而雨水分子直径为400μm左右,远远大于膜材孔径,再加上E-PTFE膜材表面能很低,表面张力使其附着的水滴变形成较大水珠,雨水无法润湿和渗透膜材 。因此,使用该材料的防水透气阀具备良好的防水透气性能,还能有效阻隔油污、灰尘等污染物质,保证汽车动力电池密封性,为电池内部提供良好、稳定的工作环境,保障电池稳定、可靠运行 。

 

防水透气阀的工作原理

 

  图1 防水透气阀工作原理

  2 防水透气阀分类及功能

  2.1 防水透气阀分类

  1)防水透气阀门根据有无阀体可分为阀体型和阀体型。 一种带阀体的防水透气阀(如图1)将透气膜固定在阀体上,然后将阀体安装在电池盒侧壁或盒盖的开口处。 根据阀体的结构和形式,安装方式可以灵活多样,便于后期维护和更换。 阀体可根据使用要求定向开发,以增强适用性。 无阀体防水透气膜直接将透气膜粘接或焊接在电池盒侧壁或盒盖开口处,大大降低了成本,但结构形式单一,对后期维护和更换的技术要求较高。

  2)防水通气阀根据阀体材料的不同分为金属型和非金属型。 金属类型包括铜合金型、不锈钢型、铝合金型等。非金属型多为塑料型和硅胶型。 不同的材料类型可以满足不同使用条件下对性能、成本和材料的不同要求。

  3)防水透气阀门按透气膜与阀体的连接形式可分为注塑型、焊接型、过盈配合型和粘接型。 注射式防水透气阀是将透气膜直接注射成型在阀体内的一种,其集成性好,工艺要求高,适用于塑料阀体结构。 焊接式防水透气阀是将透气膜焊接到阀体结构上,常用的焊接方法有热压焊接、超声波焊接和激光焊接。 其中热压焊接较为常见,设备简单,易于实现批量生产,主要用于非金属阀体防水透气阀门的焊接。超声波焊接和激光焊接对设备投资要求高,焊接结构稳定可靠。主要用于焊接金属阀体的防水透气阀门。 粘贴式防水通风阀通常在通风膜的一面有背胶,可以粘贴在阀体上,也可以直接粘贴在电池盒壁上,成本较低,但对附加保护和后期维护要求较高。 过盈配合防水透气阀直接在内圈结构上预贴透气膜,然后整体压入过盈配合的外圈将膜压在内圈和外圈之间,主要用于金属阀体的防水透气阀。

  4)防水排气阀按气体流向可分为单向型和双向型。 单向防水透气阀是安装在透气膜一侧的单向阀。当空气压力超过阀门开启压力时,阀门被推开,气体向一个方向流动。当压力小于阀门开启压力时,阀门关闭,切断气体流动通道;普通单向防水透气阀的单向阀是向盒外打开的,所以气体只能从盒内流向盒外,减少了外界水蒸气的进入。 双向防水透气阀可分为无阀和双向阀,无阀防水透气阀的气体可自由通过隔膜材料;两通阀型配有两个单向阀,两个方向的阀门开启压力可单独设定。

  5)防水排气阀根据安装连接方式的不同,主要分为螺纹式、压入式、卡扣式和按钮式,不同的连接方式可以满足不同安装位置的不同要求,从而提高了产品的适用范围。

  2.2 防水透气阀功能

  常规防水透气阀具备防水、透气、防油、防灰的功能,在起到防护作用的同时,平衡电池箱内外部压力,保护内部元器件,所以也叫平衡阀。平衡阀的透气膜材一般厚度较厚、韧性较强,能承受较大压力而不发生损坏。

  针对汽车动力电池内部电芯发生电化学反应的特点,在常规防水透气阀的基础上开发出了具有爆破或开启功能的防爆阀。其在电池箱正常工作时起到防水透气作用,当电池箱内部电芯发生热失控或热扩展,释放出大量气体而导致电池箱内部气压迅速升高时,其隔膜爆破或开启,定向快速打开泄压通道,防止电池箱箱体及电池发生爆炸 。

  1)采用爆破方式泄压的防爆阀为一次性防爆阀,常用顶针结构,内部气压迅速升高时,其顶针将内部膨胀的膜材刺破,形成泄压通道。爆破后电池包需要更换防爆阀。

  2)采用开启方式泄压的防爆阀为重复性防爆阀,常见结构为弹簧压力型和膜材弹性扩张型。当内部压力迅速升高时,其弹簧受压开启阀门或弹性膜材受压弹性扩张产生间隙,形成泄压通道。待电池内部压力降低后,弹簧或弹性膜材恢复原状,泄压通道关闭。此类防爆阀可重复使用。

  3 防水透气阀在汽车动力电池上的应用

  电动汽车动力电池配备防水排气阀可以提高汽车动力电池的安全性和使用寿命。 如果使用高能量密度的三元电池,从安全角度考虑,通常选择具有定向快速泄压功能的防爆阀;如果使用磷酸铁锂电池,由于热稳定性高,成本限制,往往选择普通防水透气的阀门。

  从防护等级来说,汽车防水通风阀通常选择防护等级为IP67或以上的产品,如IP67和IP68。 如果考虑到洗车时高压水枪误操作的影响,可以提高IP6K9K的等级要求。 从使用量上来说,单个电池箱通常配有防水透气阀,其阀体尺寸和透气率需要根据电池内部的净风量来计算和选择。 过多的防水排气阀并不能明显提高整体保护效果,还会增加失效的风险点。

  因此,单个电池箱通常只配备一个防水排气阀。 在品牌选择上,在国内,主要有蒲微、施柏德、泛亚等;在国内,涉及各种防水透气阀门,且产品谱比较齐全。国外品牌主要有戈尔和唐纳森。这两家公司在隔膜材料的研发和防水透气产品的应用方面有着悠久的历史,但动力电池防水透气阀的产品的研发起步较晚,现在有几款产品正在推广应用。

  4 防水透气阀发展趋势

  作为电动汽车动力电池的重要保护部件,对其功能和性能的要求将不断提高,其主要发展趋势如下:

  1)开发低爆/低开启压力防爆阀。 传统防爆阀受透气膜结构和工艺的限制,爆破或开启压力较高,大多在20-40k pa之间,主要应用于高强度金属电池箱。 随着新材料和新技术的不断应用,对轻量化的要求越来越高。电池箱的结构部件可采用高分子复合材料,需要在低于复合材料的一定变形压力下启动防爆阀,以保护箱内部件。 另一方面,集成在电池中的敏感元件也容易受到高压损坏。

  因此,研制一种低爆炸/开启压力的防爆阀,对于保护电池箱内外部件,有效发挥防爆阀的功能具有重要意义。

施柏德防爆阀

  2)开发一种可以实时监控工作状态的防水排气阀。 传统的防水透气阀门多为机械结构,依靠透气膜的物理性能来发挥防水透气功能,防水透气阀门的状态无法监控。 当尖锐异物刺破隔膜或弹簧长期受力松弛时,防水透气阀受损,变成一个开放的通道,外界的水、灰尘、油污等有害物质就会进入电池箱,对电芯的工作环境造成严重破坏,甚至引发安全事故。 因此,开发一种能够在线实时监测状态的防水透气阀门就显得尤为重要。当阀门损坏时,能发出信号提醒驾驶员及时更换,持续保护电池箱的工作环境。

  3)研发防水排气阀,主动消除电池内部的冷凝。 结露现象一直是困扰防水透气阀门应用的重要问题。 渗透膜可以有效阻挡液体,但不能阻止水蒸气分子进入。所以随着电池温度的不断变化,电池盒内部会凝结水汽。 尤其是内部装有液冷板的电池箱,冷却液温度较低,内部水蒸气在液冷板表面凝结成水滴不断积聚,对内部电源安全构成严重威胁。 防水排气阀厂家为消除结露做了很多尝试,比如在电池盒内安装干燥箱,在电池盒内设计负压来减少水汽的进入,但是效果很小,而且前者需要经常更换干燥箱,提高了维修保养的难度。 开发主动消除水汽,在水汽通过隔膜材料进入电池之前进行清洁的产品,是防水透气阀的另一个发展方向。

  4)研制平衡防爆防水排气阀。 防爆阀一般用于有定向快速泄压需求的电池箱,平衡阀一般用于无定向泄压需求的电池箱。 两者在膜的厚度和孔径大小上各有侧重。前者要求膜薄,孔径大,容易刺破。后者要求膜材料较厚,孔径适中,韧性强,能承受较大压力而不损坏,在平衡和防爆两种功能之间进行妥协,从而限制了每种功能的效果。 因此,防水透气阀的另一个发展方向是将防爆阀和平衡阀分开,将两种不同的膜材料集成在同一个阀体上,使平衡和防爆的功能得到充分发挥。

  5 结束语

  防水透气阀可靠稳定的防护功能使其在电动汽车动力电池领域得到广泛应用,随着防水透气技术的不断升级,性能稳定、功能完备的产品一定会得到市场越来越广泛的认可和推广。